DE19806410A1 - Solarkollektoren mit fokussierenden Stablinsen - Google Patents

Description

Bei den heutigen Solarkollektoren in Privathäusern, die fast ausschließlich Flüssigkeitskollek­ toren sind, ist die Absorberfläche praktisch gleich groß der Kollektorfläche. Vor allem durch hochentwickelte Absorbermaterialien gelingt es, im Sommer bei Sonnenschein die Energie zur Brauchwassererwärmung aus Kollektoren zu gewinnen. Leider nutzt man bis heute aus Kosten­ gründen nur relativ wenig von den vorhandenen Gebäudeflächen.

In der Übergangszeit und kalten Jahreszeit bringen die Solarkollektoren praktisch keinen Gewinn für Heizung oder Brauchwasser. Das liegt daran, daß in Mitteleuropa in Privathäusern fast ausschließlich Warmwasserheizungen betrieben werden und hierzu genügt das Temperaturniveau der Solarkollektoren im Winter nicht. Dabei zeigt eine vorsichtige Abschätzung, daß selbst in der kalten Jahreszeit die Nutzung der Solarenergie in unseren Breiten mindestens 5% des Gesamt­ energieverbrauchs von Privathäusern ausmachen könnte.

Der in den Patentansprüchen 1-3 angegebenen Erfindung liegt das Problem zugrunde, daß die Dauer der jährlichen Solarenergie-Nutzung erhöht und trotzdem die Herstellungskosten für Solarkollektoren in Privathäusern eher gesenkt werden müssen.

Dieses Problem wird durch die in den Patentansprüchen 1 und 2 aufgeführten Merkmale gelöst. Durch stabförmige Sammellinsen werden die Sonnenstrahlen auf kleine Absorberflächen fokus­ siert. Damit wird sehr viel teures Absorbermaterial eingespart. Die stabförmigen Sammellinsen werden aus einfacher Massenware (Kunststoff, Glas) hergestellt, weil keine hohen Ansprüche an die optischen Qualitäten gestellt werden. Eine streng linienförmige Fokussierung ist ohnehin nicht anzustreben, es genügt, eine Strahlenbündelung so vorzunehmen, daß die einfallende Solar­ energie auf eine Absorberfläche konzentriert wird, die nur einen Bruchteil von der Fläche der Einstrahlung beträgt. Die Ausdehnung der Absorberfläche wird im wesentlichen bedingt durch die Wanderung des Fleckes des Strahlenbündels auf der Absorberfläche mit dem jeweiligen Sonnenstand.

Zweckmäßigerweise ordnet man die Röhren bzw. Schächte der Kollektoren und damit auch die Stablinsen horizontal an. Für die zweidimensionale Strahlenfokussierung ist dann nur ein Winkel kleiner als 90° zu berücksichtigen, nämlich der Winkel zwischen Sonnenaufgang und Sonnen­ höchststand. Wie Abb. 1+2 zeigen, läßt sich hierfür die maximale Abweichung des Strahlflecks von der optischen Achse konstruieren. Eine Totalreflexion tritt innerhalb dieses Winkels nicht auf. Für die Sonnenstandsänderung von Ost nach West ist ein gestreckter Winkel zu berück­ sichtigen. Aber diese Bewegungskomponente geschieht in Richtung der Längsachse der Stablin­ sen und da findet nur eine Parallelverschiebung der Strahlen beim Durchgang statt. (Abb. 1) Damit wird bei einer horizontalen Anordnung der Stablinsen eine Totalreflexion ausgeschaltet. Ein weiterer Vorteil durch die Strahlenbündelung von Stablinsen besteht darin, daß diese in eine Mehrfachabdeckung integriert werden kann. Eine Mehrfachabdeckung als transparente Wärme­ dämmung ist ohnehin Voraussetzung zur Steigerung des Energie-Wandlungsgrades eines Solar­ kollektors.

Indem alternativ zur erwärmten Flüssigkeit erwärmte Luft ausgekoppelt werden kann, wird die Forderung erfüllt, mehr Solarenergie zu gewinnen, auch wenn es auf niedrigerem Temperaturni­ veau geschieht. Sie wird direkt für die Raumheizung gewonnen und damit nützlich für die Über­ gangszeiten bzw. kalte Jahreszeit. Das ist um so wichtiger, als gut wärmegedämmte Häuser ohne einen kontrollierten Luftaustausch nicht mehr auskommen.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindungen sind in dem Patentanspruch 3 angegeben. Man nutzt die fokussierende Wirkung flüssigkeitsdurchströmter transparenter Röhren und integriert das Absorbermaterial darin. Es reduziert sich auf einen Bruchteil des gegenwärtigen Bedarfs. Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Abb. 1-3 dargestellt und werden getrennt beschrieben.

Beispiele Abb. 1: Kombinierter Luft-Flüssigkeitskollektor

Abb. 1a zeigt den Querschnitt senkrecht zur Bewegungsrichtung der zu erwärmenden Medien Luft oder Flüssigkeit.

Bei der Verwendung als Luftkollektor durchströmt die zu erwärmende Luft den Schacht (1), der in der Mitte die Flüssigkeit führende Röhre (2) enthält. Die Wände des Luftschachtes (3) werden zweckmäßigerweise aus Holz gefertigt, weil dieses ein hohes Absorptionsvermögen für Wärme­ energie hat und außerdem ökologisch unbedenklich ist.

Damit durch den sich verändernden Sonnenstand und die damit verbundene Lageänderung der durch die stabförmige Sammellinse (4) gebündelten Sonnenstrahlen auf der die Flüssigkeit ent­ haltenden Röhre auch auftrifft, sind die Wände mit einer dünnen reflektierenden Folie (5) umge­ ben.

Wenn die Anlage als Luftkollektor betrieben wird, ruht die Flüssigkeit in der Röhre. In den kälte­ ren Jahreszeiten ist die solare Strahlungsenergie viel geringer als in der warmen. Deshalb ist eine höhere Verweilzeit der zu erwärmenden Luft im Kollektor erforderlich. Das ist kein Problem, da nicht permanent erwärmte Luft abgezogen werden muß. Deshalb ist ein zusätzlicher Raum (6) vorgesehen, in dem die erwärmte Luft kurzzeitig zwischengespeichert wird. Eine permanente Umwälzung der Luft ist nicht erforderlich.

Die mit Flüssigkeit gefüllte Röhre und die Holzwände speichern einen erheblichen Teil der Solar­ energie, sodaß die Frischluft nach längerer Einstrahlungsdauer rascher erwärmt wird. Außerdem dienen sie als kleiner Puffer gegen Schwankungen der Solarenergie (z. B. durch vorüberziehende Wolken) und am Ende der Einstrahlungsperiode, wenn die Anlage in Schatten eintaucht. In der wärmeren Jahreszeit wird in Privathäusern nicht die Funktion des Luftkollektors, sondern die des Flüssigkeitskollektors benötigt. Durch die geometrisch-optische Strahlenbündelung kann man die Oberfläche des Flüssigkeitsabsorbers wesentlich kleiner halten als bei üblichen. Damit läßt sich mindestens 50% des Absorbermaterials einsparen. Der Röhrenquerschnitt kann kleiner als normal gehalten werden ohne Gefahr einer Temperaturüberhöhung wenn man die Verweilzeit im Kollektor durch eine höhere Durchströmungsgeschwindigkeit verringert.

Abb. 2 und 3: Flüssigkeitskollektoren mit transparenten Röhren

In Abb. 2 wird folgendes angenommen: das flüssige Wärmeträgermedium durchströmt die trans­ parenten Röhren mit kreisförmigem Querschnitt (1), gewissermaßen als Vorlauf. Danach fließt das Wärmeträgermedium durch flache Röhren mit rechteckigem Querschnitt (2). Das Absorber­ material ist dort einfach als Flachstab (3) eingelassen und erreicht höchstens die Breite des Durchmessers einer Röhre. Infolge des Fokussierungseffektes durch die kreisförmigen Röhren trifft die Solarstrahlung gebündelt dort auf.

Wenn ein so konstruierter Solarkollektor auf einem Dach aufgebaut wird, auf das nicht schon mit Sonnenaufgang die Sonne einstrahlt (Hindernisse in der Nachbarschaft, Himmelsrichtung be­ dingt), so lassen sich die Flachröhren verkleinern bzw. der Bedarf an Absorbermaterial verringern. Das zeigt die Gegenüberstellung A und b der Abb. 2. Der Fall A bezieht sich auf Einfallswinkel zwischen 20° und 75°, der Fall B auf Einfallswinkel zwischen 30° und 75°. Man erkennt, daß a < b ist, weil die Wanderung der gebündelten Solarstrahlung geringer wird.

In Abb. 3 sind die Absorbermaterialien direkt in transparente Röhren (1) integriert, die von einem klaren Wärmeträgermedium durchströmt werden. Die Röhren haben kreisförmigen oder halb­ kreisförmigen Querschnitt. In beiden Fällen wird die auftreffende Solarstrahlung in den Röhren so gebrochen, daß sie auf das Absorbermaterial auftrifft.

Claims (3)

1. Solarkollektor zum Erwärmen von Flüssigkeit und/oder Luft dadurch gekennzeichnet, daß durch geometrisch-optische Linsenwirkung stabförmiger Sammellinsen die Sonnenstrahlen zweidimensional fokussiert auf die Absorberfläche auf­ treffen.

2. Solarkollektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Absorber, der eine Flüssigkeit enthält, alternativ die rings um den Absorber vorbeiströmende Luft erwärmt, während die Flüssigkeit im Ab­ sorber selbst ruht oder die durchströmende Flüssigkeit erwärmt, während die Luftschicht ruht (Abb. 1).

3. Solarkollektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein transparentes flüssiges Wärmeträgermedium mit einem optischen Brechungsindex < 1 transparente Kunststoff- oder Glasröhren durchströmt, so daß diese Einheit eine Stablinse bildet und damit die einfallenden Sonnenstrahlen auf das Absorbermaterial, das in der Röhre angebracht ist, fokussiert oder gebündelt auftreffen läßt (Abb. 2 und 3).